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行業(yè)動(dòng)態(tài)瀝青乳化劑機(jī)理
發(fā)布日期：2017年07月22日
瀝青乳化劑的基本分類
所謂乳化劑，即是既親水、又親油的“雙親”表面活性劑。表面活性劑是一種以很低濃度就能顯著降低溶劑的表面張力的物質(zhì)，其濃度與溶劑表面張力的關(guān)系應(yīng)符合C曲線關(guān)系。通常具有此性質(zhì)的物質(zhì)有八碳以上的有機(jī)酸鹽有機(jī)胺鹽、磺酸鹽、苯磺酸鹽等。
在日常研究、應(yīng)用中根據(jù)乳化劑在水溶液中離解時(shí)生成的表面活性離子所帶電荷的性質(zhì)，將乳化劑可劃為以下5類:(1)陰離子型乳化劑－－在水溶液中離解時(shí)生成的表面活性離子帶負(fù)電荷(磺酸鹽類、羧酸鹽類、硫酸鹽類、磷酸鹽類等);(2)陽(yáng)離子型乳化劑———在水中離解是生成的表面活性離子帶正電荷(烷基多胺類、季銨鹽類、酰胺基胺類、咪唑啉類、木質(zhì)素類等);(3)兩性型乳化劑———分子內(nèi)同時(shí)存在酸性基和堿性基(咪唑啉型、甜菜堿型、氨基酸型、磷脂、淀粉、蛋白質(zhì)衍生物);(4)非離子型乳化劑———在水中不離解成離子(聚氧乙烯類、烷基醇、氧化胺、亞砜);(5)混合型乳化劑———分子中的親水部分既有聚氧乙烯鏈，又有離子基團(tuán)的一類表面活性劑(脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸鹽、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鹽、醇醚的磷酸酯鹽、烷基酚聚氧乙烯醚硫酸鹽)。其中，陰離子型乳化劑是人們?cè)绮捎玫臑r青乳化劑，20世紀(jì)初在美國(guó)就開(kāi)始研究陰離子型乳化瀝青，但由于陰離子乳化瀝青破乳時(shí)間太慢，現(xiàn)在基本上已經(jīng)被淘汰。而陽(yáng)離子乳化劑制備的乳化瀝青穩(wěn)定性好，粘附性強(qiáng)，縮短路面早期成型時(shí)間，所以陽(yáng)離子乳化劑是現(xiàn)階段研究的熱點(diǎn)，在工程實(shí)際應(yīng)用中也多。
常見(jiàn)乳化劑一般都為傳統(tǒng)的低分子表面活性劑，與之相對(duì)應(yīng)還有一類相對(duì)分子質(zhì)量在數(shù)千以上，且具有“雙親基”的高分子表面活性劑，此類表面活性劑降低界面張力的能力并不顯著，去污能力、起泡能力和滲透能力均較低，這些特征與一般表面活性劑有很大差別。但高分子在各種表面界面有很好的吸附能力，因而其分散性、凝聚性和增容性均較好，用量較大時(shí)還具有很好的乳化性和乳化穩(wěn)定性，并可以作為溫泡劑使用，由此可見(jiàn)高分子乳化劑在乳化瀝青工業(yè)中有較好的前景。
乳化瀝青的乳化機(jī)理
研究瀝青乳化，首當(dāng)其沖必須了解瀝青乳化過(guò)程的微觀機(jī)理。所謂乳化就是加入的乳化劑使兩相間產(chǎn)生單分子定向膜，以降低兩相的界面張力、削弱油相的自行聚集的趨勢(shì)，使互不相溶的兩種液體形成一定穩(wěn)定性的液－液分散體系的作用。
乳化劑在油－水兩相界面的吸附機(jī)理
當(dāng)兩種不相混溶的液體(水與瀝青)接觸時(shí)即形成界面，界面上的分子受到來(lái)自本相和另一相中的分子吸引作用，但由于兩相分子對(duì)界面分子的吸引力形式不同(同相分子間主要是范力、氫鍵等，異相主要是范力且較小)，繼而使兩相分子對(duì)不同分子的吸引力大小有所不同，因此產(chǎn)生力的不平衡(即產(chǎn)生表面張力)使兩相只能以鋪展、黏附等易于存在的方式存在，而不能混溶。乳化劑正是為了消除或削弱存在于界面上的這種不平衡力的，乳化劑本身?yè)碛袃煞N不同性質(zhì)的基團(tuán):A＞、親水基團(tuán)，主要有磺酸基、羧酸基、硫酸基、磷酸基、胺基、酰胺基、醇基等基團(tuán);B＞、親油基團(tuán)(親瀝青的基團(tuán)主要是8－18的碳鏈)。根據(jù)有機(jī)化學(xué)中的“相似相容原理”可知，乳化劑中的親水基、親油基會(huì)各自插入同性質(zhì)的一側(cè)，使其自身處于水－油界面處。
由吉布斯吸附公式可以看出，在瀝青乳化的過(guò)程中，乳化劑的過(guò)剩量與乳化溫度成反比。提高乳化溫度時(shí)液體分子之間的距離增加，共存蒸汽的密度增加，相對(duì)于低溫而言，表面層分子所受液體內(nèi)部的吸引力減少，因而表面張力降低。乳化劑的過(guò)剩量與乳化劑濃度成正比，與瀝青在水中的濃度成反比。乳化劑濃度增加時(shí)，乳化劑在界面吸附量變大，表面張力降低，但在達(dá)到臨界膠束濃度(CMC)后，表面張力基本不再隨濃度的增加而變化，趨于一定值。
乳化劑的隔離機(jī)理
當(dāng)乳化劑被吸附在水－油界面處時(shí)，由于乳化劑在較低濃度時(shí)以單分子層形式定向排列在兩相界面，使界面處形成一種“界面膜”，這種界面膜可以起到特殊作用，并將油滴包裹(水包油式)，使其處于被隔離的狀態(tài)，進(jìn)而阻止了油滴間的相互碰撞，避免被乳化開(kāi)的瀝青再次聚結(jié)。
該種界面膜的緊密程度和強(qiáng)度，與乳化劑在水中的濃度有密切的關(guān)系。當(dāng)乳化劑在界面膜上定向緊密排列時(shí)，該狀態(tài)下乳化劑用量為佳值，此時(shí)界面膜的強(qiáng)度高，瀝青微滴聚結(jié)需要克服較大的阻力，因而了油－水體系的穩(wěn)定性。
雙電層的穩(wěn)定機(jī)理
當(dāng)密排的乳化劑在兩相界面上形成穩(wěn)定的界面膜時(shí)，由于電離、吸附和瀝青微滴與水之間的摩擦等作用使得瀝青微滴都帶有一定的電荷，從而使瀝青－水界面上形成符合Stern雙電層分布模型的電荷層結(jié)構(gòu)。
乳化瀝青的兩相界面上形成的這種雙電層由兩部分組成:部分為單分子層，基本上固定在界面上，這層電荷與瀝青微滴的電荷相反，因此稱為吸附層;第二部分由吸附層向外，電荷向水介質(zhì)中擴(kuò)散，此層稱為擴(kuò)散層。乳化瀝青的穩(wěn)定性取決于在吸附層與擴(kuò)散層界面上的電動(dòng)電位的大小。
由于同一體系中的乳化瀝青微粒外表帶有相同符號(hào)的電荷，當(dāng)乳化瀝青微粒接近到一定距離時(shí)，隨著距離的接近，排斥力逐漸增強(qiáng)，阻礙了乳化瀝青微粒之間的聚結(jié)，從而提高了乳化瀝青的穩(wěn)定性。
綜上所述，由于有乳化劑在油－水兩相界面處的吸附使得油－水兩相界面張力減小，從而使得油水“相溶”;當(dāng)油水“相溶”時(shí)，會(huì)在兩相界面上形成乳化劑界面膜，此膜的存在將各油粒相互隔開(kāi)，避免相互相碰撞而聚結(jié)，以增加體系穩(wěn)定性;此外，由于界面上的雙電層作用，使得乳液具有更高的穩(wěn)定性。
